陕北大型现代化矿井周边地下水环境特征研究

赵耀东，杨 建，张朝逢

(1.陕西省地下水管理监测局，陕西 西安 710003；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054)

陕北大型现代化矿井周边地下水环境特征研究

赵耀东1，杨 建2，张朝逢1

(1.陕西省地下水管理监测局，陕西 西安 710003；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054)

大型现代化矿井排出的矿井水，均采用深度处理工艺，对周边地下水环境的影响程度如何，需进行进行地下水环境特征研究。通过对矿井及周边调查和地下水水样采集分析，采用内梅罗指数综合评价法对其进行评价，结果表明：研究区地下水中pH、SO4、TDS、NH4、NO2、NO3、Mn、Hg等组分出现了超标，其中66.7%水样点的NH4浓度达到Ⅴ类标准，4号水样中NO2浓度超过地下水Ⅴ类标准限值14倍，3号水样中NO3浓度达到了地下水Ⅳ类标准，主要由当地农业生产活动引起；部分地下水中Mn浓度达到地下水Ⅳ类标准，与当地地下水中重金属背景值较高有密切关系；马槽井作为当地特有的灌溉方式，水中CODcr浓度相对较高。本地区地下水水质属于极差或较差等级，主要由SO4、NH4、NO2超标引起。上述现象反映了农业生产活动、年蒸发量大，是造成井田范围内地下水水质恶化的主要原因。

地下水环境；现代化矿井；农业污染；环境质量评价；陕北

鄂尔多斯盆地属于中生代大型克拉通内盆地[1]，是我国最大的聚煤盆地，建设有神东、陕北等大型煤炭基地，其中陕北煤炭基地包括神府、榆神和榆横三个矿区[2][3]，含煤地层主要位于侏罗系中下统延安组，具有煤质优良、储量巨大、构造简单等特点[4]。陕北矿区地处干旱和半干旱的沙漠化地区，气候干旱，年蒸发量是降水量的6倍以上[5]，水资源短缺，生态环境脆弱[6][7]。但是，煤炭开采过程中会引起顶板覆岩破坏，导致上覆含水层水进入井下，为了保证煤矿安全生产，必须向地表排放大量矿井水，矿井水除了被大量蒸发，由于含有悬浮物、浊度、矿化度[8]、氟化物、重金属[9]、油类污染物等，会造成周边水环境污染。近年来，随着政府和民众对环境的日益重视，对矿井水外排提出了更加严格的要求，而且开发利用矿井水不仅可以减轻煤矿企业和社会的供水压力，还可以有效提高当地地下水资源和生态环境的承载能力，具有显著的经济效益和社会效益[10]。但是，有些新建煤矿为了节省矿井水处理费用，利用地下管网偷排未经处理的矿井水[11]，这也会引起矿区周围地下水环境的污染，因此有必要对这些矿井周边的地下水水质特征进行研究，为掌握新建的大型现代化矿井周边地下水环境特征提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于陕北神府榆矿区，地处毛乌素沙漠与陕北黄土高原接壤地带，为沙漠滩地区，沙漠覆盖率在80%以上，其中新月形沙丘和链状沙丘遍布，滩地较少；井田地形较平坦，地势总体是西高东低。气候干旱，年蒸发量是降水量的6倍以上；井田范围内水系不发育，除东部的榆溪河外，仅东北角有自西北向东南流向的白河，由于植被稀少，夏季多暴雨(日降水量最高65.5 mm)，河水流量变化较大，雨季常猛涨成灾。

井田范围内，第四系松散层潜水以大气降水补给为主，部分为沙漠凝结水补给及灌溉回归水、渠水渗漏补给。径流主要受地形控制，流向基本沿17～19勘探线范围内由高至低、由西向东与现代地形吻合，(以泄流的形式)向榆溪河排泄。排泄主要是侧向补给河水，次为蒸发消耗、垂向渗漏和人工开采。

本矿井设计生产能力1 000万 t/a，服务年限120 a，为斜井开拓。井田延安组可采煤层包括2、2下、3、3-1、4-1、4-2、5、7、9等9个煤层，其中主采煤层为2号煤层。2号煤层一般厚度在0.68～8.64 m，平均厚3.41 m，厚度变异系数49.87%，该煤层层位稳定，厚度较大且变化规律明显，煤质变化小，属大部分可采的稳定型中厚煤层。井下矿井水经“超滤+纳滤”的深度处理工艺处理后，出水水质较好，TDS=59.7 mg/L，TOC=0.82 mg/L，Mn、Hg、AS等重金属均属于地下水Ⅰ类标准或未检出。

2 数据来源和研究方法

2.1 样品采集和检测

根据矿区工业广场位置和地下水流向，在工业广场周围布置了6个取样点(代表水源类型、取样深度等)。水样采集后，立即将水样容器瓶盖紧、密封，贴好标签(包括取样点位、采样日期和时间、监测项目、采样人等)。

水样的检测指标包括：肉眼可见物、嗅和味、透明度、颜色、pH、阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+、NH4+)、阴离子(NO2-、NO3-、OH-、CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-)、总硬度、矿化度、F-、铅、硒、镉、砷、汞、锰、六价铬、挥发酚、氰化物、COD、UV254、TOC、总硬度(以CaCO3计)、非碳酸盐硬度(以CaCO3计)、碳酸盐硬度(以CaCO3计)、负硬度(以CaCO3计)、总碱度(以CaCO3计)、H2SiO3、可溶性SiO2、游离CO2、等。样品经预处理后，根据水质检测标准中规定的检测方法，利用原子吸收分光光度计、离子色谱仪、总有机碳/总氮分析仪等设备进行检测。

2.2 评价方法

现有的地下水质量评价方法有多种，本研究选用《地下水质量标准(GB/T14848-93)》推荐内梅罗指数综合评价法，对研究区内地下水进行质量评价。内梅罗指数综合评价法是1974年美国叙拉古大学内梅罗(N LNemerow)教授提出的一种水污染指数法，其兼顾极值，又被称为突出最大值的计权型多因子环境质量指数评价方法。计算式如下：

3 结果和讨论

3.1 地下水环境特征

根据矿井周边地下水检测结果，地下水中各种污染物分布特征与本矿井的煤炭开发和矿井水排放没有直接联系，下面对pH、SO4、TDS、NH4、NO2、NO3、重金属、CODcr等指标进行分析(其他指标浓度均在地下水Ⅰ类标准限值以下)。

3.1.1 pH、SO4和TDS

大部分水样的pH在7.2～7.8之间，符合地下水环境标准中Ⅰ～Ⅲ类水质要求；但是4号水样pH高达11.3，可能该水井受到了混凝土施工等污染，检测的其它几十种指标，未发现异常情况。所有水样中(图1)，1号和2号水样中SO4浓度分别为351.3 mg/L和840.0 mg/L，均达到地下水质量Ⅴ类标准；其它水样中SO4浓度均小于38.5 mg/L，属于地下水质量Ⅰ类标准。2号水样中TDS浓度为1 365.8 mg/L，达到了地下水质量Ⅳ类标准；“X矿东民井1”水样中TDS浓度也相对较高(681.6 mg/L)；其他水样中TDS浓度则均在310 mg/L以下，基本属于地下水质量Ⅰ类标准。本地区浅层地下水中TDS(包括SO4)浓度较高，可能存在以下几个原因：(1)神府榆地区气候干旱，年蒸发量是降水量的6倍以上，导致水中盐分大量富集；(2)本矿区作为粮食生产基地，建设了许多灌溉水渠水利设施等，形成了一系列人工地表水体，为水中盐分蒸发浓缩提供了条件；(3)高TDS矿井水向地面排放，导致浅部含水层中TDS升高。结合X矿井田周边情况，推测是长期的农业生产等导致的地下水中TDS升高，以及煤矿建设初期未经处理的高TDS水排放。

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图1 地下水中SO4和TDS浓度等值线图 (黄色—Ⅳ类；红色—Ⅴ类)

3.1.2 NH4、NO2和NO3

井田范围内，有4个水样中NH4浓度达到Ⅴ类标准，占66.7%；1个水样达到Ⅳ类标准，占16.7%；1个水样达到Ⅲ类标准，占16.7%(图2)。4号水样中NO2浓度为1.4 mg/L，远高于Ⅴ类标准限值(0.1 mg/L)，考虑到该水样中pH值高达11.3，是否存在未知污染源；其余5个水样中NO2均未检出。3号水样中NO3浓度为21.0 mg/L，达到了地下水Ⅳ类标准；2号和4号水样中NO3浓度分别为8.9 mg/L和5.9 mg/L，达到了地下水Ⅲ类标准；另外3个水样中NO3浓度均小于0.5 mg/L，符合地下水Ⅰ类标准。

图2 地下水中NH4、NO2和NO3浓度等值线图

3.1.3 重金属

井田范围内，地下水中只有Mn和Hg出现了超标现象，其它重金属指标均未超标。1号和6号水样中Mn浓度分别为0.989 22 mg/L和0.105 64 mg/L，达到了地下水Ⅳ类标准，占33.3%；其它4个水样中Mn浓度均在地下水Ⅰ类标准限值以下。2号和3号水样中Hg浓度达到地下水Ⅲ类标准，占33.3%；另外4个水样中Hg浓度则均属于地下水Ⅰ类标准(见图3)。

图3 地下水中Mn和Hg浓度等值线图

3.1.4 CODcr、TOC

矿区地下水中CODcr浓度总体较低，大部分水样中未能有效检测出CODcr，只有5号水样中CODcr浓度达到了16.2 mg/L，这是由于马槽井是一种利用地形高低、水位落差开挖地表水渠，可实现对农田的抽灌和自流灌溉(图4)。根据TOC检测结果发现，井田范围内地下水中TOC浓度为2.19～5.98 mg/L，也显示该地区第四系水中有机物浓度偏低，与陕北地区地表植被稀疏，缺少天然有机质来源有关。

图4 井田内马槽井

根据内梅罗指数综合评价法，选取pH、SO4、TDS、NH4、NO2、NO3、Mn、Hg等8个检测指标，对照地下水的水质类别判断标准，对各个项目逐项判断水质类别，结果见表1。

表1 Fi评分结果

6个地下水样品中(表2)，水质极差的3个，占50%；水质较差的3个，占50%主要由SO4、NH4、NO2超标引起。上述现象反映了农业生产活动、年蒸发量大，是造成井田范围内地下水水质恶化的主要原因。

表2 水质分类结果

4 结语

(1)研究区地下水中pH、SO4、TDS、NH4、NO2、NO3、Mn、Hg等组分出现了超标，而矿井水中污染物主要为浊度、悬浮物、TDS等，两者之间存在一定差异。

(2)井田范围内，66.7%水样点的NH4浓度达到Ⅴ类标准，4号水样中NO2浓度超过地下水Ⅴ类标准限值14倍，3号水样中NO3浓度达到了地下水Ⅳ类标准，主要由当地农业生产活动引起。

(3)地下水中Mn和Hg出现了超标现象，其中33.3%的水样点Mn浓度达到地下水Ⅳ类标准，与当地地下水中重金属背景值较高有密切关系。由于马槽井是一种利用地形高低、水位落差开挖的地表水渠，周边植被相对繁茂，导致水中CODcr浓度达到了16.2 mg/L。

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Study about groundwater environment characteristics surrounding of large modern coal mine in northern shaanxi

ZHAO Yao-dong1，YANG Jian2，ZHANG Chao-feng1

(1.Shaanxi province groundwater management monitoring Bureau, Xi’an 710003, China;2.CCTEG Xi’an Research Institute, Xi’an 710054, China)

Advanced water treatment processes were used to treat coal mine wastewater in large-scale modern mine.The influence degree of groundwater was not clear, so we need to research the groundwater environment characteristics. Through the investigation in mine and surrounding area and the analysis of groundwater water samples, using Nemerow Comprehension method to evaluate results. The results showed that some components (e.g. pH, SO4, TDS, NH4, NO2, NO3, Mn, Hg) were exceeded the quality standard. The concentration of NH4 reached the quality standard of class Ⅳ in 66.7% samples, and the concentration of NO2was more than 14 times of the quality standard of class Ⅴ in No.4 sample. The concentration of NO3reached the quality standard of class Ⅳ in No.3 sample. Mn concentration reached the quality standard of class Ⅳ because of high concentration background value of heavy metal in local stratum. CODcr value was high in Macaojing well. Groundwater qualities were poor or extremely poor, and exceeding the standard of some pollutant components (e.g. SO4, NH4, NO2) was main reason. The groundwater pollution was due to agricultural production and high evaporation.

Groundwater environment；modern mine；agricultural pollution；environmental quality assessment；northern Shaanxi

2016-10-17

神府榆地区煤炭开采对地下水资源及地表植被影响研究(2015 SLkj-14)

赵耀东(1961-)，男，陕西乾县人，教授级高工，主要从事地下水开发利用研究保护管理等工作。

P641.4+2

A

1004-1184(2017)01-0012-03